(57)【要約】  【課題】  低品質領域に起因したリーク電流を低減することができ、光電変換装置の特性を向上させることができる電極パターンを提供することを目的とする。  【解決手段】  半導体基板あるいは半導体膜、及び電極からなる光電変換装置において、半導体基板あるいは半導体膜は、少数キャリアライフタイムあるいは少数キャリア拡散長に規定される品質において面内分布を有し、この品質分布は、少数キャリアライフタイムの長ライフタイム側のピークあるいは少数キャリア拡散長の長拡散長側のピークに表される一方の半導体特性領域と少数キャリアライフタイムの短ライフタイム側のピークあるいは少数キャリア拡散長の短拡散長側のピークに表される他方の半導体特性領域を有し、前記電極の一方の半導体特性領域における面積割合は、前記電極の他方の半導体特性領域における面積割合よりも小さくなっていることを特徴とする光電変換装置。  【選択図】  図１
2005129680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板あるいは半導体膜、及び電極からなる光電変換装置において、半導体基板あるいは半導体膜は、少数キャリアライフタイムあるいは少数キャリア拡散長に規定される品質において面内分布を有し、この品質分布は、少数キャリアライフタイムの長ライフタイム側のピークあるいは少数キャリア拡散長の長拡散長側のピークに表される一方の半導体特性領域と少数キャリアライフタイムの短ライフタイム側のピークあるいは少数キャリア拡散長の短拡散長側のピークに表される他方の半導体特性領域を有し、前記電極の一方の半導体特性領域における面積割合は、前記電極の他方の半導体特性領域における面積割合よりも小さくなっていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記半導体基板が角形の基板であって、前記他方の半導体特性領域が基板端部にあるとき、前記電極の光入射側に位置する金属材料からなる線状の表電極は、他方の半導体特性領域において、その線方向が基板端部辺に対して非平行になるように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記半導体基板が角形の基板であって、前記他方の半導体特性領域が基板端部にあるとき、前記電極の光入射側と反対側に位置する金属材料からなる裏電極は、他方の半導体特性領域において、複数の線状の電極に分岐され、該分岐された線状の電極部分は、その線方向が基板端部辺に対して非平行になるように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記他方の半導体特性領域の電極は、基板端部辺に向かい先細の形状となっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電変換装置に関し、特に電極を有する光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、太陽電池の主流製品は多結晶Ｓｉ基板を用いたバルク型Ｓｉ太陽電池である。多結晶Ｓｉ基板はキャスティング法によって作られるのが一般的である。このキャスティング法とは、窒化シリコン粉や酸化シリコン粉からなる離型材を塗布したグラファイト材などからなる鋳型内でシリコン融液を冷却固化することによってシリコンインゴットを形成する方法である。このシリコンインゴットの端部を除去し、例えば２×２本や３×３本などの所望の大きさに切断して切り出し、切り出したインゴットを所望の厚みにスライスして太陽電池を形成するための多結晶シリコン基板を得る。
【０００３】
このキャスティング法によって製造されたＳｉインゴットでは、鋳造時に鋳型に接触していたインゴット表層領域（表面及び表面からある程度インゴット内部にまで至るまでの領域）には、少数キャリアライフタイムの短ライフタイム側のピークあるいは少数キャリア拡散長の短拡散長側のピークに表される半導体特性領域（以下、低品質領域と呼ぶ）が存在する。これは鋳造鋳型に用いられた鋳型材料からの不純物汚染の程度が大きいこと、また、結晶Ｓｉ成長の非一方向凝固性に起因した内部応力による転位密度が大きいこと、などによって、この領域の再結合中心密度（≒欠陥密度）が高くなっているからである。このため、該インゴットをスライスして得られる多結晶Ｓｉ基板は、インゴット表層部に該当する基板端部が特に品質が劣り、太陽電池特性の低下要因となっている。
【０００４】
図９は低品質端部領域を有する一般的な多結晶Ｓｉ基板を説明するための図である。この図は典型的な多結晶シリコン基板の品質分布を示す。ここで図中１は基板、２は低品質領域、３は高品質領域を示す。ここで基板端部の２辺にインゴット表層領域に対応した特徴的な結晶粒形状を示してあるが（グレー配色している部分）、低品質領域は結晶粒単位で存在するわけではなく、離型材中不純物の熱拡散汚染によって特に低品質となっている領域として定めるのが本義であるため、基板端部の特徴的な結晶粒形状領域と低品質領域とが完全に一致するわけではない。しかし、基板端部に特徴的な結晶粒形状領域の少なくとも一部には必ず低品質領域が存在するという関係が成立している。
【０００５】
ここで以下の説明のために、基板品質と太陽電池特性の関係について、ｐ型Ｓｉ基板にｎ型不純物を熱拡散してｐｎ接合を形成した太陽電池を例にとって諸物理量間の関係を示しておく。
【０００６】
τ＝１／（Ｎｒ・σ・ｖｔｈ）  ・・・・・（１）
Ｌ＝（Ｄ・τ）＾（１／２）  ・・・・・（２）
Ｊｐｈ≒ｑ∫｛Ｇｐｈ（ｚ）・ｅｘｐ（−ｚ／Ｌ）｝ｄｚ・・・・・（３）
Ｊｓｃ≒Ｊｐｈ  ・・・・・（４）
Ｊｄ０＝ｑ∫｛Ｇｔｈ（ｚ）・ｅｘｐ（−ｚ／Ｌ）｝ｄｚ・・・・・（５）
Ｊｓｈ（Ｖ）＝Ｖ／Ｒｓｈ  ・・・・・（６）
Ｊｄ（Ｖ）＝Ｊｄ０・｛ｅｘｐ（ｑＶ／ｎｋＴ）−１｝
＋  Ｊｓｈ（Ｖ）  ・・・・・（７）
ｑ：電子素電荷
ｎ：ダイオード因子
ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：絶対温度
σ：少数キャリアの捕獲断面積
ｖｔｈ：少数キャリアの熱運動速度
Ｄ：少数キャリアの拡散定数
Ｎｒ：再結合中心密度（深い準位を形成する欠陥密度Ｎｄとほぼ同量と考えてよい）
τ：基板品質たる少数キャリアライフタイム
Ｌ：基板品質たる少数キャリア拡散長
Ｇｐｈ（ｚ）：基板厚方向をｚ軸（基板表面をｚ＝０とする）としたときの光励起キャリアの生成速度
Ｇｔｈ（ｚ）：前記ｚ軸に対する熱励起キャリアの生成速度
Ｊｐｈ：光電流密度
Ｊｓｃ：短絡電流密度
Ｊｄ０：ダイオード電流の飽和暗電流密度
Ｊｓｈ：シャント電流密度（リーク電流密度）
Ｊｄ：暗電流密度（ダイオード電流密度＋シャント電流密度）
Ｖ：バイアス電圧
Ｖｏｃ：開放電圧
なお、（３）は裏面再結合の低減が充分になされている場合にほぼ成立し、現行の高効率バルクＳｉ太陽電池はこれに該当していると考えてよい。また、ダイオード電流成分としては（５）に相当するｐベース起源のものの他に、ｎ層表面起源のもの、ｎ層起源のもの、接合部起源のもの、ｐ+層BSF領域起源のもの、p+層裏面起源のものがあるが、主成分はｐベース起源なので、ここでは飽和暗電流密度として（５）のみを考えることとする。
【０００７】
ここで、開放状態（Ｖ＝Ｖｏｃ）では以下のつりあいが成立している。
【０００８】
Ｊｐｈ＝Ｊｄ（Ｖｏｃ）＋Ｊｓｈ（Ｖｏｃ）・・・・（８）
これより以下が導かれる。
【０００９】
Ｖｏｃ＝（ｎｋＴ／ｑ）・ｌｎ（Ｊｐｈ−Ｊｓｈ（Ｖｏｃ）／Ｊｄ０＋１）・・・・・（９）
つまり、リーク電流がある場合のＶｏｃは、リーク電流がない場合に比べていくらか小さい値となる。
【００１０】
また太陽電池特性（効率）には、上記ＪｓｃとＶｏｃの他に曲線因子ＦＦが影響する。
【００１１】
効率η＝Ｊｓｃ×Ｖｏｃ×ＦＦ／太陽光照射密度  ・・・・・（１０）
ここで太陽光照射密度の基準値は、ＡＭ１．５条件にて１００ｍＷ／ｃｍ２である。
【００１２】
ＦＦはＲｓｈが小さくなると（リーク電流が増加すると）低下し、太陽電池特性の低下を招来する。
【００１３】
さて、上記低品質基板端部の問題に対しては、インゴット表層からある深さまでをカットするなどして除いてから基板を切り出せば、あるいは基板作製後に低品質基板端部をカット除去すれば、前記基板端部での品質低下、それに起源する特性の低下は技術的には回避できる。
【特許文献１】特開平５−７５１５２号公報
【特許文献２】特開平９−１０２６２５号公報
【特許文献３】特開平１１−３１２６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、通常このカット除去深さ（あるいは幅）は１０〜２０ｍｍ程度必要であり、これを端材として廃棄してしまうとこの廃棄Ｓｉ原料分がコストアップとなってしまい、コスト的に非常に問題がある。
【００１５】
例えば１５ｃｍ角サイズ基板を製造するために、３３０ｍｍ角・高さ３００ｍｍのＳｉインゴットを作製し、側面端材厚を１５ｍｍとした場合、その端材体積は、約１７％にも及ぶ（インゴット底部と上部の端材は既に除去されているとして、ここでは側面端材だけを考える）。このとき、基板厚を３００μｍ、スライスロスを３００μｍとすると、前記１インゴットから切り出せる１５ｃｍ角Ｓｉ基板数は、２０００枚となり、結局基板１枚あたりに必要なＳｉ原料は３３０ｍｍ×３３０ｍｍ×３００ｍｍ／２０００枚＝１６３３５ｍｍ３（１６．３３５ｃｍ３）／枚となる。ここでＳｉ原料のキログラムあたり単価を３０００円／ｋｇ、Ｓｉ結晶の密度を２．３３ｇ／ｃｍ３とすると、１５ｃｍ角基板１枚あたりのＳｉ原料コストは１１４円／枚程度となる（基板歩留まり１００％を仮定する）。ところで、１５ｃｍ角基板から作られる太陽電池素子の変換効率を１５％とすると、ＡＭ１．５条件での太陽光下で出力は、１００ｍＷ／ｃｍ２×１５ｃｍ×１５ｃｍ×０．１５＝３．３７５Ｗｐ／セル（枚）である。すなわち、ワット（Ｗ）あたりのＳｉ原料コストは、１１４円／３．３７５Ｗ＝約３４円／Ｗとなる。現行太陽電池セルのワットあたり単価が２００円／Ｗ程度であるとすると、前記Ｓｉ原料コストが占める割合は、実に１７％にも及ぶことになる。
【００１６】
さて、ここでもし側面端材厚を上記半分の７．５ｍｍにできたとすると、同様な計算から１５ｃｍ角基板あたりのＳｉ原料使用量は１４．９ｃｍ３／枚、原料コストは１０４円／枚程度となる。すなわち、ワットあたりのＳｉ原料コストは、約３１円／Ｗとなり、側面端材１５ｍｍの場合に比べて、約３円／Ｗのコストダウンを実現できることになる。この３円／Ｗは、今後５〜１０年程度の時間スパンでのコストダウン量が２０〜５０円／Ｗ程度であることを考慮すれば、実にその１５〜６％にも相当することとなり、非常に重要なコストダウン項目であることがわかる。逆に言うと、側面端材厚を１５ｍｍとした場合は、７．５ｍｍの場合に比べて、約３円／Ｗものコストアップとなっていることになる。
【００１７】
以上により、現状では、インゴット表層領域を充分に除去すれば特性アップを図れることが技術的には明らかでありながら、コスト的側面とのトレードオフによって、インゴット表層領域をある程度残したまま基板を製造せざるを得なかった。すなわち、現状では、極端に品質の劣るインゴット側面近傍領域が除去しきれず、作製されたＳｉ基板端部には非常に品質の劣る（すなわち欠陥密度の高い）領域の存在が避けられなかったので、この基板を用いた太陽電池特性は、現行太陽電池構造（電極パターンを含む）を用いる限り、この基板端部の影響を受けての特性低下、特に開放電圧Ｖｏｃの低下が避けられなかった。
【００１８】
ここで、図９に示した低品質領域を含んだ多結晶Ｓｉ基板の一例を再度取り挙げると、図中２がインゴット鋳造時のインゴット表層領域の低品質部に由来した低品質領域で、３はそれ以外の少数キャリアライフタイムの長ライフタイム側のピークあるいは少数キャリア拡散長の長拡散長側のピークに表される半導体特性領域（以下、高品質領域と呼ぶ）である。実際には、該低品質領域２内でも、基板端部に近づくほどもともとのインゴット表面、いいかえれば鋳型との接触面に近づくので基板品質は著しく低減する傾向にある。基板端部に近づくほど品質低下する傾向は、高品質領域３内でも同様に認められる。
【００１９】
図１０は、図９に示した基板について、ＳＰＶ法で基板品質の代表的値である少数キャリア拡散長を測定し、それをヒストグラム化したグラフである。図中、大別して、高拡散長（高品質）側にピークを有する分布と低拡散長（低品質）側にピークを有する分布があることが明瞭である。高拡散長側の分布に対応するのが高品質基板領域起源のもので、短拡散長側の分布に対応するのが低品質基板端部領域起源のものである。なお、少数キャリア拡散長Ｌの代わりに、少数キャリアライフタイムτをとっても、（２）の関係から、そのヒストグラムは、やはり図１０と同様な２つの分布山を持ったプロファイルとなる。
【００２０】
また、図５は従来の光電変換装置の表電極パターンの一実施例を説明するための図であり、図６は従来の光電変換装置の裏電極パターンの一実施例を説明するための図である。
【００２１】
図５及び図６には、前記図９に示した基板に重ね合わせる形で、従来の表電極パターン及び裏電極パターンを示す。図５に示す表電極パターンにおいて１は基板、２は低品質領域、３は高品質領域、４はフィンガー電極、５はバスバー電極を示す。フィンガー電極４は集電の役割を果たし、バスバー電極５は、集電役割とともに、後工程で太陽電池素子同士を接続するためのインナーリードとの接続用として形成される。フィンガー電極４とバスバー電極５は図に示すように直行させて形成するのが一般的である。
【００２２】
図６に示す裏電極パターンにおいて、１は基板、２は低品質領域、３は高品質領域、６は裏集電電極、７は裏出力取出電極を示す。
【００２３】
さて、基板端部では前記したように不純物や転位に起因した再結合中心密度Ｎｒ（≒欠陥密度Ｎｄ）が大きいため低品質となっており、これは前記（１）（２）（３）に従って光電流密度Ｊｐｈを低減せしめてＪｓｃ特性を低下させ、また前記（１）（２）（５）（７）に従って暗電流密度Ｊｄを増大せしめて前記（８）（９）よりＶｏｃ特性を低下させる。
【００２４】
しかし、問題はこれだけでなく、特に低品質領域２に電極が形成されている場合には（６）のリーク電流成分が大きくなることによってＶｏｃがさらに低下してしまうという問題があった。このリーク電流の起源については、電極中の電子キャリアが電極／半導体界面の欠陥準位とバルクＳｉ中の欠陥準位を介してバルクＳｉベース中の正孔多数キャリアと再結合するからであると考えられる。あるいはまた、裏電極から注入される正孔多数キャリアが裏電極／半導体界面の欠陥準位とバルクＳｉ中の欠陥準位を介してｎ層中の電子多数キャリアと再結合するからであると考えられる。すなわち、低品質領域２ではバルクＳｉ中の欠陥密度が非常に高いので前記欠陥準位の間隔が狭くなって該欠陥準位間での電子のトンネル移動確率が非常に高くなり、大きなリーク電流を招来するものと考えられる。
【００２５】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、低品質領域を有する基板を用いたときに、従来の低品質領域でのリーク電流成分を低減し、特性を向上させた光電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る光電変換装置では、半導体基板あるいは半導体膜、及び電極からなる光電変換装置において、半導体基板あるいは半導体膜は、少数キャリアライフタイムあるいは少数キャリア拡散長に代表される品質において面内分布を有し、この品質の頻度分布は、少なくとも高品質領域に対応した分布ピークと低品質領域に対応した分布ピークの２つの分布ピークを持っており、前記電極の低品質領域における面積割合は、前記電極の高品質領域における面積割合よりも小さくなっていることを特徴とする。
【００２７】
このとき前記半導体基板が角形の基板であって、前記低品質領域が基板端部にあるとき、前記電極の光入射側に位置する金属材料からなる線状の表電極は、低品質基板端部においては、その線方向が基板端部辺に対して非平行になるように配設されていたほうがよい。
【００２８】
また前記半導体基板が角形の基板であって、前記低品質領域が基板端部にあるとき、前記電極の光入射側とは反対側に位置する金属材料からなる裏電極は、低品質基板端部においては、複数の線状の電極に分岐され、該分岐された線状の電極部分は、その線方向が基板端部辺に対して非平行になるように配設されていてもよい。
【００２９】
さらに前記低品質領域の電極は、基板端部辺に向かい先細の形状となっていればなおよい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の光電変換装置によれば、半導体基板あるいは半導体膜、及び電極からなる光電変換装置において、半導体基板あるいは半導体膜は、少数キャリアライフタイムあるいは少数キャリア拡散長に代表される品質において面内分布を有し、この品質の頻度分布は、少なくとも高品質領域に対応した分布ピークと低品質領域に対応した分布ピークの２つの分布ピークを持っており、前記電極の低品質領域における面積割合を、前記電極の高品質領域における面積割合よりも小さくすることで、低品質領域に起因したリーク電流を低減することができ、光電変換装置の特性を向上させることができる。
【００３１】
このとき前記半導体基板が角形の基板であって、前記低品質領域が基板端部にあるとき、前記電極の光入射側に位置する金属材料からなる線状の表電極は、低品質基板端部においては、その線方向が基板端部辺に対して非平行になるように配設されていたほうがよい。このようにすることによって、集電効率を低下させることなく、全体として低品質領域の集電割合を下げることができる。よって低品質領域に起因したリーク電流を低減することができ、光電変換装置の特性を向上させることができる。
【００３２】
また前記半導体基板が角形の基板であって、前記低品質領域が基板端部にあるとき、前記電極の光入射側とは反対側に位置する金属材料からなる裏電極は、低品質基板端部においては、複数の線状の電極に分岐され、該分岐された線状の電極部分は、その線方向が基板端部辺に対して非平行になるように配設されていてもよい。このようにすることによって、集電効率を低下させることなく、全体として低品質領域の集電割合を下げることができる。よって低品質領域に起因したリーク電流を低減することができ、光電変換装置の特性を向上させることができる。
【００３３】
さらに前記低品質領域の電極は、基板端部辺に向かい先細の形状となっていれば低品質領域の中でも、基板端辺に近いさらに品質の悪い領域の電極面積を減らすことができるので、低品質領域に起因したリーク電流をさらに有効に低減することができ、光電変換装置の特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明に係る光電変換装置の実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。
【００３５】
図１は、本発明の光電変換装置の一例を示すものである。図１において１は基板、２は低品質領域、３は高品質領域、４はフィンガー電極、５はバスバー電極、８は補助フィンガー電極を示す。図に示すように、低品質領域２に補助フィンガー電極８を形成し、低品質領域２の電極面積の割合を、高品質領域３における割合よりも減らす。
【００３６】
このようにすることで以下の理由により従来の電極パターンよりも暗電流成分（リーク電流）を低減することができ、特性低下を向上させることができる。
【００３７】
図７は、低品質領域２の一部を拡大したものであり、基板端部を原点（ｘ＝０）として基板端部辺に垂直な方向（基板水平面内で基板内部に向かう方向）をｘ軸としたときに、少数キャリアのライフタイムτあるいは拡散長Ｌをｘ軸に対してプロットしたものである。τ及びＬは基板端部辺に近いほど先に述べた理由で低減する傾向にある。
【００３８】
図３は本発明に係る光電変換装置の基板端部領域の電極パターンの一実施形態を説明するための図であり、図８は従来の光電変換装置の基板端部領域の電極パターンの一実施形態を説明するための図である。図３および図８において、１は基板、２は低品質領域、４はフィンガー電極、８は補助フィンガー電極を示す。
【００３９】
先にも説明したように、低品質領域２の中でも基板端部辺に近づくにつれ、品質は更に低下する。図３及び図８から明らかなように、従来電極パターンに比べて本発明電極パターンでは、同じ電極面積であっても低品質領域に配設される面積割合を小さくできるので、特に低品質領域で大きな値となるリーク電流を有効に低減でき、Ｖｏｃ特性の低下を抑制することができるのである。
【００４０】
なお、本発明に係る光電変換装置の電極パターンでは、図３及び図８から明らかなように基板端部領域の結晶粒界を横切る割合が従来電極パターンよりも少なくなることがわかる。結晶粒界は特にリーク電流が流れやすい部分であるので、この点からも本発明の電極パターンは従来電極パターンに比べてリーク電流をより低減できるものと考えられる。
【００４１】
次に、図４は本発明に係る光電変換装置のうち、バルクＳｉ型太陽電池の一実施形態を説明するための図である。図中、６は裏集電電極、７は裏出力取出電極、９は表電極、１０は反射防止膜、１１はｎ型Ｓｉ領域、１２はｐ型Ｓｉ光活性領域、１３はｐ型Ｓｉ−ＢＳＦ領域を示す。
【００４２】
ここで光は反射防止膜１０側から入射し、Ｓｉ領域にて吸収・光電変換されて電子−正孔対が生成されるが、本説明例のようなｐｎ接合型の場合は、特に光活性層として働くｐ型Ｓｉ光活性領域１２で吸収・光電変換されて生成した電子−正孔対が主な光起電力の起源となる。
【００４３】
以下、図４に示した本発明にかかるバルク型Ｓｉ太陽電池を形成するプロセスを説明する。
【００４４】
まずｐ型Ｓｉ基板を用意する。図４中、少なくともｐ型Ｓｉ光活性領域１２は基板に含まれる。このときｐ型化ドーピング元素としてはＢを用いることが望ましく、濃度は１×１０１６〜１×１０１７／ｃｍ３程度とする（このとき基板の比抵抗値は０．２〜２Ω・ｃｍ程度となる）。
【００４５】
基板厚は５００μｍ以下にし、より好ましくは３５０μｍ以下にする。基板としては、キャスト法で鋳造された多結晶Ｓｉインゴットをスライスして基板にした多結晶Ｓｉ基板を用いる。なおドーピングはドーピング元素単体を適量Ｓｉインゴット製造時に含ませてもよいし、既にドープ濃度の分かっているＢ含有Ｓｉ塊を適量含ませてもよい。
【００４６】
次に光入射面となる基板表面側に光反射率低減機能を有する凹凸構造を形成する（不図示）。該凹凸構造の形成にあたっては、ＮａＯＨ等のアルカリ液による異方性ウェットエッチング法を適用することができるが、Ｓｉ基板がキャスト法等による多結晶Ｓｉ基板である場合は、基板面内での結晶面方位が結晶粒ごとにランダムにばらつくので、基板全域にわたって光反射率を効果的に低減せしめる良好な凹凸構造を一様に形成することは非常に困難である。この場合は、例えばＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法などによるガスエッチングを行えば比較的容易に良好な凹凸構造を基板全域にわたって形成することができる（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３等を参照）。
【００４７】
次にｎ型Ｓｉ領域１１を形成する。ｎ型化ドーピング元素としてはＰを用いることが望ましく、ドーピング濃度は１×１０〜５×１０２１／ｃｍ３程度とする（つまり特にｎ＋型とする）。これによって上述のｐ型Ｓｉ領域１２との間にｐｎ接合が形成される。
【００４８】
製法としてはＰＯＣｌ３（オキシ塩化リン）を拡散源とした熱拡散法を用いて温度７００〜１０００℃程度で、前記ｐ型Ｓｉ基板の表面にドーピング元素を拡散させることによって形成する。このとき拡散層厚は０．２〜０．５μｍ程度とするが、これは拡散温度と拡散時間を調節することで、所望の厚さとすることができる。
【００４９】
通常の拡散法では、目的とする面とは反対側の面にも拡散領域が形成されるが、その部分は後からエッチングして除去すればよい。あるいは、後述するように、裏面のＢＳＦ層１３をＡｌペーストによって形成する場合は、Ｐ型ドープ剤であるＡｌを充分な濃度で充分な深さまで拡散させることができるので、既に拡散してあった浅い領域のｎ型拡散層の影響は無視できるようにすることができる。
【００５０】
なお、ｎ型Ｓｉ領域１１の形成方法は熱拡散法に限定されるものではなく、例えば薄膜技術および条件を用いて水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン相を含む結晶質シリコン膜などを基板温度４００℃程度以下で形成してもよい。ただし薄膜技術を用いて形成する場合は、以下に述べる各プロセスの温度を考慮して後段プロセス程低いプロセス温度となるようにその形成順序を決めることが必要である。
【００５１】
ここで水素化アモルファスシリコン膜を用いてｎ型Ｓｉ領域１１を形成する場合はその厚さは５０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下とし、結晶質シリコン膜を用いて形成する場合はその厚さは５００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下とする。
【００５２】
なお、ｎ型Ｓｉ領域１１を上記薄膜技術で形成するときは、ｐ型Ｓｉ領域１２とｎ型Ｓｉ領域１１との間にｉ型Ｓｉ領域（不図示）を厚さ２０ｎｍ以下で形成すると特性向上に有効である。
【００５３】
次にｐ型Ｓｉ−ＢＳＦ（Ｂａｃｋ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｅｌｄ）領域１３を形成する。ｐ型化ドーピング元素としてはＢやＡｌを用いることができ、ドーピング元素濃度は１×１０１８〜５×１０２１／ｃｍ３程度とする（つまり特にｐ＋型とする）。これによってｐ型Ｓｉ光活性領域１２とｐ型Ｓｉ−ＢＳＦ領域１３との間にＬｏｗ−Ｈｉｇｈ接合を形成することができる。
【００５４】
製法としてはＢＢｒ３を拡散源とした熱拡散法を用いて温度８００〜１１００℃程度で形成することができるが、特にＡｌの場合はＡｌ粉末とガラスフリット、有機溶剤、バインダーなどからなるＡｌペーストを印刷法で塗布したのち温度７００〜８５０℃程度で熱処理（焼成）してＡｌを拡散する方法を用いることができ（本明細書ではペースト印刷焼成法と称する）、低コスト化に非常に有利である。なお、このｐ型Ｓｉ−ＢＳＦ領域１３（裏面側）を熱拡散法で形成する場合は、既に形成してあるｎ型Ｓｉ領域１１（表面側）には酸化膜等の拡散バリアをあらかじめ形成しておく。またペースト印刷焼成法を用いる場合は、印刷面だけに所望の拡散層を形成することができるだけではなく、既に述べたようにｎ型Ｓｉ領域１１領域形成時に同時に裏面側にも形成されているｎ型層を除去する必要もなくすことができる。
【００５５】
なおｐ型Ｓｉ領域１３の形成方法は、熱拡散法やペースト印刷焼成法に限定されるものではなく、例えば薄膜技術を用いて水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン相を含む結晶質シリコン膜などを基板温度４００℃程度以下で形成してもよい。このとき膜厚は１０〜２００ｎｍ程度とする。また、ｐ型Ｓｉ-ＢＳＦ領域１３とｐ型Ｓｉ領域１２との間にｉ型Ｓｉ領域（不図示）を厚さ２０ｎｍ以下で形成すると特性向上に有効である。ただし薄膜技術を用いて形成する場合は、以下に述べる各プロセスの温度を考慮して後段プロセス程低いプロセス温度となるようにその形成順序を決めることが必要である。
【００５６】
次に反射防止膜１０を形成する。反射防止膜材料としては、Ｓｉ３Ｎ４膜、ＴｉＯ２膜、ＳｉＯ２膜、ＭｇＯ膜、ＩＴＯ膜、ＳｎＯ２膜、ＺｎＯ膜などを用いることができる。厚さは材料によって適宜選択され入射光に対する無反射条件を実現する（材料の屈折率をｎとし、無反射にしたいスペクトル領域の波長をλとすれば、（λ/ｎ）／４＝ｄが反射防止膜の最適膜厚となる）。例えば、一般的に用いられるＳｉ３Ｎ４膜（ｎ＝約２）の場合は、無反射目的波長を６００ｎｍとすれば、膜厚を７５ｎｍ程度とすればよい。
【００５７】
製法としては、ＰＥＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法などを用い、温度４００〜５００℃程度で形成する。なお反射防止膜１０は後述する表電極９を形成するために所定のパターンでパターニングしておく。パターニング法としてはレジストなどマスクに用いたエッチング法（ウェットあるいはドライ）や、反射防止膜形成時にマスクをあらかじめ形成しておき、反射防止膜形成後にこれを除去する方法を用いることができる。また別の方法として、反射防止膜１０の上に直接電極材料を塗布し焼き付けることによって電極とｎ型Ｓｉ領域１１を接触させるいわゆるファイヤースルー法も一般的である。
【００５８】
次に本発明の表電極９を形成する。すなわち、低品質基板端部においては、フィンガーの線方向が基板端部辺に対して垂直になるように配設する。なお、後述する半田ディップ工程での歩留まりを低下させないために、本発明の効果を失わない範囲内で該補助フィンガー電極８の線方向を基板端部辺に対してある角度を持たせて配設することも可能である。このようにすることで半田ディップ工程における半田玉形成などの不良モードを低減することができる。また、該補助フィンガー電極８部は基板端部に近づくほど線幅が細くなるようにすることが望ましい。これによって基板端部に近いより低品質な領域での電極接触面積を低減することができるので、その分リーク電流をさらに低減することができる。
【００５９】
ここで、表電極材料としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌといった低抵抗金属を少なくとも１種含む材料を用いることが望ましい。製法としてはこれら金属を含んだペーストを用いた印刷法や、スパッタ法、蒸着法などの真空製膜法を用いることができる。
【００６０】
なお表電極９とＳｉ半導体との接着強度を特に高めるため、印刷法ではＴｉＯ２などの酸化物成分をペースト中にわずかに含ませ、また真空製膜法では表電極９とＳｉ半導体との界面にＴｉを主成分とした金属層を挿入するとよい。
【００６１】
このとき、表電極９のパターンは、例えば図１に示したような低品質基板端部を考慮したパターンとする。
【００６２】
次に本発明の裏電極を形成する。すなわち、低品質基板端部においては、表電極のところでも述べたような補助フィンガー電極８をその線方向が基板端部辺に対して垂直になるように配設する。なお、後述する半田ディップ工程での歩留まりを低下させないために、本発明の効果を失わない範囲内で該補助フィンガー電極の線方向を基板端部辺に対してある角度を持たせて配設することも可能である。また、該補助フィンガー電極８部は基板端部に近づくほど線幅が細くなるようにすることが望ましい。これによって基板端部に近いより低品質な領域での電極接触面積を低減することができるので、その分リーク電流をさらに低減することができる。
【００６３】
なお、表電極９にのみ本発明を適用しても充分な効果が得られる場合は、裏電極に本発明を適用しないことも可能である。
【００６４】
裏電極材料としては、Ｓｉに対して反射率の高いＡｇを主成分に含む金属を用いることが望ましいが、Ｓｉに対しての反射率がＡｇよりもいくらか劣るＡｌを主成分に含む金属であっても、電極の形成と同時にＳｉ-ＢＳＦ領域１３を形成することができるため、工程の簡略化を図ることができる。また図２に示すように基板裏面の略全面にＡｌを主成分とする金属で集電電極６を形成し、半田との濡れ性のよいＡｇを主成分とする金属で出力取出電極７を形成すれば、後工程で光電変換装置同士を接続するために、インナーリードと配線しやすくなる。
【００６５】
製法としてはこれら金属を含んだペーストを用いた印刷法や、スパッタ法、蒸着法などの真空製膜法を用いることができる。なお裏電極とＳｉ半導体との接着強度を特に高めたい場合は、印刷法ではＴｉＯ２などの酸化物成分をペースト中にわずかに含ませ、また真空製膜法では裏電極６とＳｉ半導体との界面にＴｉを主成分とした金属層を挿入するとよい。後者の場合、Ｔｉ主成分金属層の厚さは５ｎｍ以下として金属層が挿入されることによる反射率低減を抑制することが望ましい。なお、裏電極は基板裏面全面に形成することが裏面に到達した長波長光の反射率を高めるために望ましい。
【００６６】
最後に、半田ディップ処理によって前記表電極及び裏電極上に半田層を形成する（不図示）。
【００６７】
以上によって本発明を適用したバルク型Ｓｉ太陽電池が実現される。
【００６８】
このように、本発明では半導基板あるいは半導体膜、及び電極からなる光電変換装置において、半導体基板あるいは半導体膜に面内品質分布があり、前記電極の低品質領域における面積割合は、高品質領域における面積割合よりも小さくする。このようにすることによって低品質領域に起因したリーク電流を低減することができ、光電変換装置の特性を向上させることができる。
【００６９】
このとき前記半導体基板が角形の基板であって、前記低品質領域が基板端部にあるとき、前記電極の光入射側に位置する金属材料からなる線状の表電極は、低品質基板端部においては、その線方向が基板端部辺に対して非平行になるように配設されていたほうがよい。このようにすることによって、集電効率を低下させることなく、全体として低品質領域の集電割合を下げることができる。よって低品質領域に起因したリーク電流を低減することができ、光電変換装置の特性を向上させることができる。
【００７０】
また前記半導体基板が角形の基板であって、前記低品質領域が基板端部にあるとき、前記電極の光入射側とは反対側に位置する金属材料からなる裏電極は、低品質基板端部においては、複数の線状の電極に分岐され、該分岐された線状の電極部分は、その線方向が基板端部辺に対して非平行になるように配設されていてもよい。このようにすることによって、集電効率を低下させることなく、全体として低品質領域の集電割合を下げることができる。よって低品質領域に起因したリーク電流を低減することができ、光電変換装置の特性を向上させることができる。
【００７１】
さらに前記低品質領域の電極は、基板端辺に向かい先細の形状となっていれば低品質領域の中でも、基板端辺に近いさらに品質の悪い領域の電極面積を減らすことができるので、低品質領域に起因したリーク電流をさらに有効に低減することができ、光電変換装置の特性を向上させることができる。
【実施例】
【００７２】
以下、キャスト法で製造された多結晶Ｓｉ基板を用いて前記実施形態に沿って作製したバルク型多結晶Ｓｉ太陽電池について、特に電極パターンと特性との関係を調べた実験結果について説明する。
【００７３】
表１及び表２は、基板として１５ｃｍ角サイズのものを用いたときの表電極及び裏電極の設計値を示したものである。本発明の特徴は補助フィンガー電極を用いていることである。
【表１】
2005129680.tif 000003
【００７４】
【表２】
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【００７５】
表３は、表１及び表２で示した電極を適用した場合の太陽電池特性を示したものである。本発明の電極パターンを適用することにより特性が向上しており、これは補助フィンガー電極を設けた部分でリーク電流が減少したことに起因しているものと考えられる。
【００７６】
なお、図１及び図２では、補助フィンガー電極を低品質基板端部以外の基板端部にも形成した例を示しているが、もちろん低品質基板端部だけに形成するようにしてもよく、電極パターンの対称性に特に拘る必要はない。
【表３】
2005129680.tif 000005
【００７７】
また、上記ではキャスティング法を用いたＳｉ基板を例にとって説明したが、基板はキャスティング法によるものに限る必要はなく、低品質端部領域が存在する基板一般に適用できる。またＳｉ材料に限定されることもなく、半導体基板一般に適用できる。また、半導体基板に限定されることもなく、半導体薄膜であってもよい。
【００７８】
また、上記では低品質領域が基板端部に存在する場合について説明したが、低品質領域の存在位置は基板端部に限られる必要はなく、基板内のいずれの位置にあっても本発明の原理を適用することができる。すなわち、低品質領域での電極面積割合をできるだけ低減するように電極パターンを設計することができる。
【００７９】
また、上記各工程の順序は上記順序に限られるものではなく、後段プロセスの温度が前段プロセスの温度よりも低い条件を満たすならば、いかなる順序であってもよい。
【００８０】
また、ｐ型Ｓｉ基板を用いた太陽電池について説明したが、ｎ型Ｓｉ基板を用いた場合にも、上記説明中の極性を逆にすれば同様のプロセスによって本発明の効果が得ることができる。
【００８１】
さらに、シングル接合の場合について説明したが、半導体多層膜からなる薄膜接合層をバルク基板使用接合素子に積層して形成した多接合型であっても、本発明は適用できる。
【００８２】
また、バルク型Ｓｉ太陽電池を例にとって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の原理・目的を逸脱しない限り任意の形態とすることができる。すなわち、化合物系や有機物系の太陽電池にも適用できる。さらに、本発明は太陽電池以外の光センサなどの光電変換装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明に係る光電変換装置の表電極パターンの一実施例を説明するための図である。
【図２】本発明に係る光電変換装置の裏電極パターンの一実施例を説明するための図である。
【図３】本発明に係る光電変換装置の基板端部領域の電極パターンの一実施形態を説明するための図である。
【図４】本発明に係る光電変換装置のうち、バルクＳｉ型太陽電池の一実施形態を説明するための図である。
【図５】従来の光電変換装置の表電極パターンの一実施例を説明するための図である。
【図６】従来の光電変換装置の裏電極パターンの一実施例を説明するための図である。
【図７】低品質基板端部領域での品質分布を説明するための図である。
【図８】従来の光電変換装置の基板端部領域の電極パターンの一実施形態を説明するための図である。
【図９】低品質端部領域を有する一般的な多結晶Ｓｉ基板を説明するための図である。
【図１０】図９に示した基板について、ＳＰＶ法で基板品質の代表的値である少数キャリア拡散長を測定し、それをヒストグラム化したグラフである。
【符号の説明】
【００８４】
１・・・基板
２・・・低品質領域
３・・・高品質領域
４・・・フィンガー電極
５・・・バスバー電極
６・・・裏集電電極
７・・・裏出力取出電極
８・・・補助フィンガー電極
９・・・表電極
１０・・・反射防止膜
１１・・・ｎ型Ｓｉ領域
１２・・・ｐ型Ｓｉ光活性領域
１３・・・ｐ型Ｓｉ−ＢＳＦ領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005129680.tif 000011
【図７】
2005129680.tif 000012
【図８】
2005129680.tif 000013
【図９】
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【図１０】
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